6. RESULTADOS E DISCUSSÃO

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1 64 6. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os ensaios para determinação dos parâmetros de desempenho e de combustão foram executados conforme o procedimento apresentado no Capítulo INCERTEZAS DE MEDIÇÃO No Apêndice II, encontram-se as incertezas calculadas com base nas informações dos fabricantes para os principais instrumentos utilizados. Juntamente com os resultados dos parâmetros de desempenho, no Apêndice III estão os resultados de incertezas obtidos para os principais parâmetros estudados no presente trabalho. No Apêndice IV, constam as incertezas calculadas para os principais parâmetros de combustão estudados, nos pontos de pressão máxima na câmara de combustão em cada configuração de teste PARÂMETROS DE DESEMPENHO Os resultados dos parâmetros de desempenho serão ilustrados por duas figuras: a primeira mostrando os valores médios encontrados para a variável em questão e a segunda contendo os percentuais de diferença estatisticamente significativa entre os resultados das configurações testadas em cada ponto de operação, conforme abaixo: - (referência: ), que compara resultados de etanol anidro e etanol hidratado em um motor com calibração otimizada para o etanol hidratado, isto é, simula o impacto do uso de etanol anidro em um motor preparado o etanol hidratado; - (referência: ), que compara resultados de etanol anidro em motor com calibração otimizada para o seu uso e com calibração otimizada para o uso do etanol hidratado, isto é, avalia o impacto da otimização no ângulo de avanço de ignição, posto que o lambda ótimo foi o mesmo nos dois casos; - x (referência: ), que compara resultados de etanol anidro e etanol hidratado em motor otimizado para cada um desses combustíveis, ou seja, avalia

2 65 quanto o motor pode fornecer, de um dado parâmetro, nas condições ótimas para cada combustível. Para identificar a influência das configurações de teste nos parâmetros de desempenho, utilizou-se a Análise de Variância (ANOVA) como ferramenta estatística, com auxílio do Software Statistica 8.0. Quando observada diferença significativa a um nível de confiança de 95% (p-valor <= 0,05), as médias dos mesmos foram comparadas entre si pelo Método da Menor Diferença Significativa (LSD). Os resultados completos dos ensaios e cálculos realizados para obtenção dos parâmetros de desempenho encontram-se no apêndice III POTÊNCIA A Figura 6.1 apresenta os valores médios encontrados para a potência, em kw, para cada ponto de operação e configuração de teste. POTÊNCIA (kw) 52,20 52,90 52,90 26,00 26,20 26,30 6,50 6,45 6,48 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.1 Potência, em kw. Os valores de potência foram menores para o ponto de torque máximo a plena carga (α=100%) devido à sua menor rotação de teste. No ponto de RPM de cruzeiro devido à rotação ainda menor e baixa carga, isto é, pequeno ângulo de

3 66 abertura da borboleta (8 ), os valores encontrados para a potência foram bem reduzidos. A Figura 6.2 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados maiores de potência do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ). POTÊNCIA (kw) 1,4% 1,4% 1,0% 0,9% 0,0% 0,2% -0,3% -0,4% -0,8% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.2 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas da potência entre as configurações de teste. Nota-se que há uma tendência de potências ligeiramente maiores com a utilização do etanol anidro nos pontos de potência e torque máximos. Isso pode ser explicado por uma análise dos parâmetros de combustão obtidos, tais como menores atraso e duração da combustão. Isto será esclarecido de forma mais completa no Item 6.3. No ponto de RPM de cruzeiro, as vantagens do etanol hidratado frente ao etanol anidro devem ser consideradas apenas na comparação, pois para x as diferenças foram muito próximas da incerteza de medição calculada (ver apêndice III). O percentual de 0,8% de vantagem para o frente ao Map_ pode ser explicado, pois nessa última configuração de teste o ângulo de avanço utilizado foi mais significativamente

4 67 alterado (4 ) em relação ao ótimo do que em potência e torque máximos (1,3 e 0,7, respectivamente), sobrepondo-se à influência da mudança de combustível e invertendo a tendência observada naqueles pontos. Na comparação entre as configurações cuja diferença básica foi o avanço de ignição, verifica-se resultados equivalentes. As diferenças observadas foram muito pequenas, sendo da ordem de grandeza das incertezas de medição calculadas (ver apêndice III) TORQUE A Figura 6.3 ilustra os valores médios encontrados para o torque, em Nm, para cada ponto de operação e configuração de teste. TORQUE (Nm) 110,2 111,3 111,4 90,6 91,9 91,9 32,7 32,4 32,6 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.3 Torque, em Nm. Os valores de torque menores no ponto de potência máxima ocorreram devido à rotação muito alta (5500 rpm) deste ponto de operação. Para o ponto de RPM de cruzeiro, a baixa carga utilizada, fornecendo baixa potência, resultou em torques ainda menores. A Figura 6.4 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados maiores de torque do etanol anidro em

5 68 relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ). TORQUE (Nm) 1,4% 1,4% 1,1% 1,0% 0,0% -0,1% -0,4% -0,8% -0,6% x Map_ x Map_ x x Map_ x Map_ x x Map_ x Map_ x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.4 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas do torque entre as configurações de teste. Foram observadas para o torque as mesmas tendências verificadas nos resultados de potência, o que também era esperado, dada a relação direta entre as duas variáveis (Equação 3.13) CONSUMO MÁSSICO DE COMBUSTÍVEL A Figura 6.5 apresenta os valores médios encontrados para o consumo mássico, em kg/h, para cada ponto de operação e configuração de teste.

6 69 CONSUMO MÁSSICO (kg/h) 26,7 25,2 25,2 11,3 10,6 10,7 3,5 3,3 3,3 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.5 Consumo mássico de combustível, em kg/h. Observa-se que o consumo mássico foi maior para o ponto de potência máxima, passando por valores intermediários em torque máximo e valores menores no ponto de RPM de cruzeiro. Isso se explica pelo comportamento decrescente da rotação em cada um desses pontos de operação. Rotações mais altas resultam em maiores vazões de ar admitidas pelo motor e, consequentemente, em maiores consumos de combustível para a formação da mistura a contento. A Figura 6.6 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados menores de consumo mássico do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ).

7 70 CONSUMO MÁSSICO (kg/h) 5,5% 5,7% 5,0% 6,0% 4,8% 5,4% 1,0% 0,6% 0,0% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.6 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas do consumo mássico entre as configurações de teste. Pela Figura 6.6 pode-se observar uma tendência de menor consumo mássico para o etanol anidro em relação ao etanol hidratado, independentemente da configuração de teste. Para garantir o mesmo lambda e consequentemente a mesma energia química disponibilizada ao motor em cada ponto de operação, foi necessário injetar uma quantidade maior de etanol hidratado, dado que o poder calorífico da água, presente em maior quantidade no etanol hidratado, é nulo. A Figura 6.6a ilustra os tempos de injeção, em ms, para o etanol anidro e o etanol hidratado no três pontos de operação, comprovando a afirmação mencionada anteriormente. Os resultados comparativos de consumo mássico, quando a diferença básica entre as configurações de teste foi o ângulo de avanço da ignição ( ), foram muito próximos, podendo ser considerados equivalentes.

8 71 Tempo de Injeção (ms) 14,58 14,93 14,37 5,64 5,48 ND Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.6a Tempos de injeção, em ms, para o etanol anidro e hidratado para os três pontos de operação CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL A Figura 6.7 apresenta os valores médios encontrados para o consumo específico de combustível, em g/kwh, para cada ponto de operação e configuração de teste. CONSUMO ESPECÍFICO (g/kw.h) Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.7 Consumo específico de combustível, em g/kwh.

9 72 Foram verificados menores consumos específicos de combustível no ponto de torque máximo e valores mais altos para os pontos de potência máxima e RPM de cruzeiro. Isso se explica pelo fato de no ponto de torque máximo haver um consumo mássico de combustível menor em relação à potência entregue, comparativamente aos outros pontos de operação. A Figura 6.8 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados menores de consumo específico do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ). CONSUMO ESPECÍFICO (g/kw.h) 6,9% 6,8% 6,1% 6,8% 4,6% 4,7% 0,8% 0,0% 0,0% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.8 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas do consumo específico entre as configurações de teste. De forma geral, as tendências observadas para o consumo específico de combustível foram as mesmas verificadas para o consumo mássico, com o etanol anidro apresentando vantagem sobre o etanol hidratado. Isso se explica pela relação direta entre o consumo mássico e o específico (Equação 3.16) e pelo apresentado no Item

10 RENDIMENTO TÉRMICO A Figura 6.9 apresenta os valores médios encontrados para o rendimento térmico em cada ponto de operação e configuração de teste. RENDIMENTO TÉRMICO 0,33 0,34 0,34 0,28 0,29 0,29 0,27 0,27 0,27 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.9 Rendimento térmico do motor. Os resultados de rendimento térmico mostram que o motor apresentou maiores aproveitamentos da energia química fornecida pelos combustíveis no caso do ponto de torque máximo, pois a potência fornecida nesse ponto se evidenciou mais próxima em relação àquela disponibilizada pelo combustível (consumo mássico de combustível x poder calorífico inferior), quando comparado aos pontos de potência máxima e de RPM de Cruzeiro. A Figura 6.10 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados maiores de rendimento térmico do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ).

11 74 RENDIMENTO TÉRMICO 3,6% 3,6% 3,0% 3,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% x Map_ x Map_ x x Map_ x Map_ x x Map_ x Map_ x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.10 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas do rendimento térmico entre as configurações de teste. Verifica-se tendência de maiores rendimentos térmicos para o etanol anidro frente ao etanol hidratado, independente da configuração de teste adotada. Como os valores de lambda foram os mesmos para todas as configurações de teste em cada ponto de operação, ou seja, como a energia química disponibilizada ao motor foi a mesma em cada caso, os melhores resultados obtidos para o etanol anidro são consequência dos seus maiores valores de potência já mencionados. Para o ponto de RPM de cruzeiro, devido aos resultados de potência muito próximos, não foram detectadas diferenças entre os rendimentos térmicos de cada configuração de teste RENDIMENTO VOLUMÉTRICO A Figura 6.11 apresenta os valores médios encontrados para o rendimento volumétrico em cada ponto de operação e configuração de teste.

12 75 RENDIMENTO VOLUMÉTRICO 0,77 0,74 0,74 0,82 0,78 0,78 0,33 0,32 0,32 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.11 Rendimento volumétrico do motor. Assim como para o consumo específico de combustível e o rendimento térmico, o ponto de torque máximo também apresentou os melhores resultados de rendimento volumétrico, mostrando que nesse ponto o motor foi capaz de admitir mais ar em relação a sua capacidade teórica. Nesse caso, os valores mais elevados nos pontos de potência máxima e de torque máximo são justificados pelo fato do motor ter funcionado em plena carga, o que maximiza a sua capacidade de admitir ar. Os resultados foram ligeiramente superiores no ponto de torque máximo, pois a uma rotação mais baixa, 2250 rpm em comparação a 5500 rpm em potência máxima, há mais tempo para a admissão de ar pelo motor antes do fechamento da válvula de admissão, diminuindo os efeitos de inércia do escoamento pelas tubulações do sistema de admissão. Os resultados bem inferiores do ponto de RPM de cruzeiro se explicam pelo pequeno ângulo de abertura da borboleta (8 ), representando uma restrição para o fluxo de ar admitido pelo motor. A Figura 6.12 mostra os percentuais de diferença entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais negativos indicam resultados menores de rendimento volumétrico do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ).

13 76 0,0% RENDIMENTO VOLUMÉTRICO 0,0% 0,0% -3,0% -3,0% -3,9% -3,9% -4,9% -4,9% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.12 Percentuais de diferença do rendimento volumétrico entre as configurações de teste. Nota-se que o etanol anidro apresentou rendimentos volumétricos inferiores aos do etanol hidratado, independentemente da configuração adotada. Conforme esperado, não foi observada qualquer influência do avanço de ignição ( ), dado que esse parâmetro não está ligado ao processo de admissão de ar pelo motor. Os melhores resultados do etanol hidratado se explicam pela presença da água em maior quantidade em sua composição. A água, por possuir maior calor latente de vaporização do que o etanol (2258J/gK contra 839,3J/gK), isto é, por necessitar de maior energia para se vaporizar, absorve mais calor do seu entorno, acarretando maiores reduções de temperatura da mistura admitida (ver Item 6.3.2). Com uma temperatura mais baixa, a massa específica do ar aumenta, sendo possível admitir uma massa maior de ar para o cilindro PRESSÃO MÉDIA EFETIVA A Figura 6.13 apresenta os valores médios encontrados para a pressão média efetiva, em kpa, para cada ponto de operação e configuração de teste.

14 77 PRESSÃO MÉDIA EFETIVA (kpa) Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.13 Pressão média efetiva, em kpa. Assim como o torque, a pressão média efetiva relaciona a potência entregue pelo motor e a sua rotação. Os resultados acima comprovam isso, apresentando a mesma tendência daqueles observados na Figura 6.3. Ou seja, no ponto de torque máximo, foi obtida a potência mais alta, relativamente à rotação de trabalho do motor. Da mesma forma, a pressão média efetiva teve seus resultados mais baixos em RPM de cruzeiro, devido à pequena potência medida no ponto, consequência da carga reduzida adotada. A Figura 6.14 mostra os percentuais de diferença entre as configurações de teste, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados maiores de pressão média efetiva do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ).

15 78 PRESSÃO MÉDIA EFETIVA 1,4% 1,4% 1,1% 0,9% 0,0% 0,0% 0,0% -0,4% -0,5% x Map_ x Map_ x x Map_ x Map_ x x Map_ x Map_ x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.14 Percentuais de diferença da pressão média efetiva entre as configurações de teste. Os resultados de pressão média efetiva em cada ponto de operação seguiram as mesmas tendências dos resultados de potência, com o etanol anidro apresentando vantagem em relação ao etanol hidratado. Isso ocorre pela relação direta entre a potência e a pressão média efetiva, bem como por consequência das maiores pressões no cilindro durante os ciclos de compressão/expansão. Os resultados de pressão serão apresentados de forma mais completa no Item EMISSÕES DE POLUENTES As emissões reportadas nesse Item encontram-se em concentração volumétrica, conforme medições realizadas pelo equipamento Horiba OBS 2200, apresentado no Capítulo HIDROCARBONETOS TOTAIS THC A Figura 6.15 apresenta os valores médios encontrados para o THC, em ppm, para cada ponto de operação e configuração de teste.

16 79 THC (ppm) Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.15 Emissões de THC, em ppm. De forma geral, observa-se que os níveis de emissões de THC foram menores no ponto de RPM de cruzeiro. Isso se deve à configuração da mistura ar-combustível nesse ponto, para a qual se utilizou valor de lambda igual a um, isto é, mistura estequiométrica. Nos pontos de potência máxima e torque máximo foram utilizados valores de lambda menores que um, ou seja, mistura rica, com excesso de combustível. Isso explica os valores mais altos medidos para o poluente em questão nesses pontos. A Figura 6.16 mostra os percentuais de diferenças estatisticamente significativas entre as configurações de teste para as emissões de THC, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados menores de emissões de THC do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ).

17 80 THC 42,7% 37,1% 16,1% 17,3% 0,0% 5,2% 9,6% 0,0% -11,0% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.16 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas das emissões de THC entre as configurações de teste. De maneira geral, observa-se uma tendência de melhora nas emissões de THC com o uso do etanol anidro em relação ao hidratado ( x e ), independentemente do ponto de operação. Isso ocorre como consequência da combustão mais completa e com menor duração do etanol anidro (ver Item 6.3.4). Quando a comparação foi feita entre as configurações cuja diferença era apenas o avanço de ignição ( ), houve tendências diversas. Nos pontos de potência e torque máximos, as diferenças do ângulo de avanço entre as configurações Map_ (não otimizada) e (otimizada) foram pequenas (1,3 e 0,7, respectivamente), não impactando negativamente as emissões de THC, pois os ângulos de liberação da centelha não se afastaram significativamente de suas condições para o máximo torque (HEYWOOD, 1988). Já no ponto de RPM de cruzeiro, onde a centelha foi liberada 4 antes para o Map_ e, portanto, mais afastada do avanço de torque máximo, foram encontrados resultados mais elevados para as emissões desse poluente.

18 MONÓXIDO DE CARBONO CO A Figura 6.17 apresenta os valores médios encontrados para o CO, em %vol, para cada ponto de operação e configuração de teste. CO (%vol) 3,111 2,931 2,799 1,928 2,028 1,907 0,177 0,138 0,127 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.17 Emissões de CO, em %vol. Analogamente ao THC e em concordância com o descrito no Capítulo 3 (Figura 3.2), os valores de CO foram maiores para potência máxima e para torque máximo e bem menores para o ponto de RPM de cruzeiro. A explicação se baseia no fato das emissões de CO dependerem principalmente da configuração da mistura ar-combustível (HEYWOOD, 1988). Para lambda igual a um, valor adotado no ponto de RPM de cruzeiro, as emissões de CO tenderam a ser menores do que para lambdas de mistura rica, como os utilizados em potência máxima e torque máximo (0,89 e 0,91, respectivamente). Porém, nesse caso, ao contrário do THC, nota-se a influência da diferença de lambda entre os pontos de potência máxima e de torque máximo nos níveis de CO, com as concentrações medidas para potência máxima sendo mais elevadas do que aquelas obtidas para o ponto de torque máximo. A Figura 6.18 mostra os percentuais de diferenças estatisticamente significativas entre as configurações de teste para as emissões de CO, respeitando os critérios

19 82 apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados menores de emissões de CO do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ). CO 28,2% 22,0% 10,0% 5,8% 1,1% 0,0% -4,7% -5,2% -6,3% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.18 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas das emissões de CO entre as configurações de teste. Nas situações de calibração otimizada ( x ) e naquelas onde o combustível foi a diferença básica ( ), o uso do etanol anidro resultou em menores emissões de CO. Isso se explica pela combustão mais completa do etanol anidro devido ao seu menor conteúdo de água que, conforme o Item 6.3.4, resulta em combustão mais completa e com menor duração. Dentre esses resultados, as emissões de CO foram menores quando foi utilizada a configuração de teste otimizada para o etanol anidro (), mostrando que a escolha do melhor avanço de ignição reduziu ainda mais as emissões de CO. Tanto que, quando a comparação foi feita entre as configurações cujo avanço de ignição era a diferença básica ( ), notou-se tendência de piora das emissões de CO. Apenas no ponto de torque máximo, a configuração Map_ resultou em emissões maiores do que a configuração. Esse resultado é decorrente dos valores altos de THC obtidos com a configuração (ver Figura 6.15). Para

20 83 garantir o balanço entre reagentes e produtos da combustão e considerando que nas duas configurações de teste o CO 2 resultou em valores equivalentes, o aumento de THC na configuração foi compensado por uma redução nas emissões de CO ÓXIDOS DE NITROGÊNIO NOx A Figura 6.19 apresenta os valores médios encontrados para o NOx, em ppm, para cada ponto de operação e configuração de teste. NOx (ppm) Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.19 Emissões de NOx, em ppm. Verifica-se que as emissões de NOx não apresentaram relação direta com os pontos de operação e configurações de teste utilizados no presente trabalho. Isso se explica pelo fato da formação de NOx estar diretamente relacionada com a temperatura de combustão (HEYWOOD, 1988), a qual pode variar com outros parâmetros do motor, tais como lambda, avanço de ignição e combustível utilizado. A Figura 6.20 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste para as emissões de NOx, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais positivos indicam resultados menores das

21 84 emissões de NOx do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ). NOx (ppm) 5,6% 4,6% 10,0% -3,1% -1,1% -7,3% -10,6% -17,0% -30,0% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.16 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas das emissões de NOx entre as configurações de teste. Da mesma forma, não é possível concluir objetivamente sobre o comportamento das emissões de NOx a partir da Figura 6.16, comparando os resultados de etanol anidro e etanol hidratado. Quanto às comparações entre configurações de testes cuja diferença básica foi o avanço de ignição, nota-se que a antecipação da centelha tendeu a piorar as emissões de NOx. Tal antecipação faz com que maior parcela de calor seja liberada antes do PMS, redundando em maiores valores de pressão e temperatura e, logo, maior formação de NOx. Uma análise mais detalhada do comportamento das emissões de NOx será realizada no Item 6.4, onde serão apresentados os resultados de temperatura ao longo do processo de combustão.

22 DIÓXIDO DE CARBONO CO 2 A Figura 6.21 apresenta os valores médios encontrados para o CO 2, em %vol., para cada ponto de operação e configuração de teste. CO 2 (%vol) 10,836 10,829 10,823 9,379 9,787 9,700 9,776 9,825 9,821 Map_ Map_ Map_ Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.21 Emissões de CO 2, em %vol. De acordo com TURNS (1995), as emissões de CO 2, em %vol., atingem valores máximos para a mistura estequiométrica, onde a combustão é idealmente completa, decaindo conforme a mistura se torna mais rica ou mais pobre. Tal fato se verifica nos resultados acima, pois as emissões de CO 2 foram maiores no ponto de RPM de cruzeiro, onde foi adotado lambda igual a um, enquanto os valores encontrados para os pontos de potência máxima e de torque máximo apresentaram valores inferiores, posto que foram utilizados lambda menores que um nesses pontos. A Figura 6.22 mostra os percentuais de diferença estatisticamente significativas entre as configurações de teste para as emissões de CO 2, respeitando os critérios apresentados no Item 6.2. Percentuais negativos indicam resultados maiores de emissões de CO 2 do etanol anidro em relação ao etanol hidratado, nos dois primeiros casos ( x e ) e do Map_ em relação ao, no terceiro caso ( Map_ x ).

23 86 CO 2 (%vol) 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% -0,9% -0,5% -0,5% -3,4% -4,4% x x x Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.22 Percentuais de diferenças estatisticamente significativas das emissões de CO 2 entre as configurações de teste. As emissões de CO 2 tiveram resultados próximos em todas as configurações de teste. As diferenças percentuais menores do que 1% situam-se dentro da incerteza do analisador utilizado para a medição do gás. No entanto, no ponto de potência máxima, as comparações entre etanol anidro e hidratado apresentaram diferenças significativas, com o etanol hidratado apresentando emissões cerca de 4% menores. Isso pode ser explicado, pela maior presença de água no etanol hidratado, bem como pelas maiores emissões de água (ver Figura 6.22b) e pelos maiores níveis de CO medidos para esse ponto de operação (ver Figuras 6.17 e 6.18).

24 87 Água (%vol) 20,226 19,139 18,654 Map_ Figura 6.22b Médias das emissões de água (%vol.) para o ponto de potência máxima PARÂMETROS DE COMBUSTÃO Os resultados de cada parâmetro de combustão serão apresentados em curvas obtidas para cada um dos três pontos de operação. Os critérios comparativos das curvas são os mesmos adotados no Item 6.2. Com o objetivo de proporcionar melhor visualização dos resultados, os gráficos serão apresentados em intervalos do ângulo do eixo de manivelas que destaquem a região de ocorrência da combustão PRESSÃO NO CILINDRO Os resultados de pressão no cilindro foram obtidos com base no critério estabelecido no Capítulo 5, buscando a curva real de maior semelhança com a média das curvas selecionadas. As médias das pressões máximas obtidas a partir das 24 curvas reais selecionadas representaram o universo de 2400 curvas medidas, pois diferiram em no máximo 2,3% em relação à média calculada para estas.

25 88 A Figura 6.23 apresenta curvas de pressão relativas ao etanol hidratado nos três pontos operacionais estudados no presente de trabalho. Os resultados para as demais configurações de testes apresentaram as mesmas tendências. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.23 Curvas de pressão no cilindro em função do ângulo do eixo de manivelas para o etanol hidratado nos três pontos operacionais. Verifica-se que as curvas de pressão dos pontos de potência máxima e de torque máximo apresentaram valores bem superiores comparados ao ponto de RPM de cruzeiro. Isso ocorre, pois este último foi operado com baixa carga (8 de abertura da borboleta) e lambda igual a um, resultando em uma menor massa de mistura e, consequentemente, menos energia no cilindro em relação aos demais pontos. Comparando-se as condições de torque máximo e de potência máxima, observa-se que de -20 até próximo de 10 do ângulo do eixo de manivelas, as pressões em potência máxima foram maiores. No entanto, a partir daí até 70 as pressões no ponto de torque máximo foram maiores. Essas diferenças podem ser explicadas, principalmente, pelas configurações de avanço de ignição adotadas para o etanol hidratado em potência máxima, cuja centelha foi liberada 11 antes em relação ao ponto de torque máximo, resultando em um aumento antecipado da pressão no cilindro. Esse fato torna difícil a comparação direta entre as curvas. No entanto os maiores resultados de pressão média efetiva, reportados no Item 6.2.7, para o ponto de torque máximo indicam que a área sob a curva de pressão relativa a este

26 89 ponto é maior do que aquela sob a curva de pressão em potência máxima. Isto é, no geral, maiores níveis de pressão foram encontrados para o ponto de torque máximo ao longo dos ciclos de compressão e expansão POTÊNCIA MÁXIMA A Figura 6.24 apresenta as curvas de pressão com otimização para o etanol hidratado, utilizando este combustível e o etanol hidratado para o ponto de operação de potência máxima. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.24 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de potência máxima com otimização para o etanol hidratado, utilizando este combustível e o etanol anidro. Nota-se um comportamento muito semelhante entre as duas curvas apresentadas na Figura 6.24, a menos da região das maiores pressões, entre -5 e 25. Como o motor funcionou com as mesmas configurações de avanço de ignição e lambda (33 APMS e 0,89) em ambos os casos, as diferenças nas curvas de pressão podem ser atribuídas basicamente ao combustível. Dessa forma, as maiores pressões obtidas com a utilização do etanol anidro se explicam devido ao menor conteúdo de água desse combustível em relação ao etanol hidratado. A água, por possuir maior calor específico do que os demais produtos de combustão (ver Figuras 6.24a e 6.24b), requer maior quantidade de

27 90 calor para aumentar a sua temperatura, absorvendo mais energia do seu entorno, o que leva a uma redução da pressão máxima obtida no processo. Soma-se a isso, o efeito do maior calor específico latente de vaporização da água frente ao do etanol (2258J/gK contra 839,3J/gK), que faz com que a mistura ar-etanol hidratado tenha maior redução de temperatura antes da combustão, levando também a menores pressões nesse período. Os maiores picos de pressão do Map_ redundaram em maior trabalho útil ao motor, tanto que os resultados de pressão média efetiva foram superiores aos do, conforme Item Calor Específico do Vapor D'água a Pressão Constante (J/kgK) Temperatura (K) Figura 6.24a Calor específico a pressão constante do vapor d água em função da temperatura. Figura 6.24b Calor específico a pressão constante dos principais gases de combustão em função da temperatura.

28 91 Somente para temperaturas em torno de 2500K, temperatura semelhante às máximas observadas nos processos de combustão estudados nesse trabalho (ver Item ), os calores específicos dos gases de combustão para misturas estequiométricas atingem valores próximos àqueles obtidos para a água, indicando que durante praticamente toda a combustão e processo de expansão, o calor específico da água foi superior aos dos gases de combustão. As Figuras 6.24a e 6.24b, foram extraídas de CHASE (1998) e HEYWOOD (1988). A Figura 6.25 apresenta as curvas de pressão com otimizações para o etanol hidratado e etanol anidro, ambas utilizando etanol anidro, para o ponto de operação de potência máxima. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.25 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de potência máxima com otimizações para o etanol hidratado e o etanol anidro, utilizando etanol anidro. O comportamento das curvas de pressão foi muito semelhante, inclusive na região de pressões máximas. Porém, a curva relativa ao etanol anidro () encontra-se levemente deslocada para a direita em comparação àquela deste mesmo combustível com otimização do etanol hidratado ( Map_). Isso ocorre devido à diferença entre os ângulos de avanço de ignição adotados para cada configuração, 33 APMS para o Map_ e 31,7 APMS para o, fazendo com que haja uma discreta antecipação no aumento da pressão relativa a esta última configuração de teste. Porém, tais resultados não refletiram em maiores

29 92 pressões médias efetivas para o, conforme mostrado no Item Isso ocorre, pois a diferença entre os ângulos de avanço de ignição utilizados foi muito pequena, não sendo detectada diferença na produção de trabalho útil ao motor. A Figura 6.26 apresenta as curvas de pressão com otimizações para o etanol anidro e para o etanol hidratado, utilizando esses respectivos combustíveis no ponto de operação de potência máxima. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Figura 6.26 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de potência máxima com otimizações para o etanol anidro e o etanol hidratado. O uso do etanol anidro associado à sua calibração ótima resultou em uma pressão máxima maior do que a verificada para o etanol hidratado quando também otimizado. Pode-se notar ainda que o ângulo do eixo de manivelas no qual ocorre a pressão máxima é ligeiramente menor para o etanol hidratado. Isso se explica pelo ângulo de avanço de ignição ótimo encontrado para esse combustível ter sido 33 APMS, enquanto para o etanol anidro foi de 31,7 APMS e também por características de queima dos dois combustíveis, que serão abordadas mais adiante quando for estudada a fração de massa queimada de combustível. O lambda ótimo nos dois casos foi o mesmo, com valor de 0,89. Isto é, a Figura 6.26 apresenta a combinação dos efeitos de otimização e de troca de combustível, apresentados separadamente nas Figuras 6.24 e 6.25, de forma combinada. Esses resultados explicam a maior pressão média efetiva encontrada para o etanol anidro

30 93 frente ao etanol hidratado no Item 6.2.7, independente da otimização adotada para aquele combustível, já que se nota uma maior área sob a curva para o etanol anidro na Figura TORQUE MÁXIMO A Figura 6.27 apresenta as curvas de pressão com otimização para o etanol hidratado, utilizando este combustível e o etanol hidratado para o ponto de operação de torque máximo. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.27 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de torque máximo com otimização para o etanol hidratado, utilizando este combustível e o etanol anidro. A partir de aproximadamente -10 até cerca de 30 a curva de pressão do etanol anidro apresenta valores maiores do que a do etanol hidratado. Também é possível verificar que o pico de pressão ocorre em um ângulo do eixo de manivelas menor para o Map_. Como o motor funcionou com as mesmas configurações de avanço de ignição e lambda (21,8 APMS e 0,91) em ambos os casos, as diferenças nas curvas de pressão podem ser atribuídas principalmente ao combustível.

31 94 Sendo assim, as maiores pressões obtidas com a utilização do etanol anidro se explicam devido ao menor conteúdo de água desse combustível em relação ao etanol hidratado, conforme apresentado no Item O fato dos valores de pressão terem sido maiores para o Map_ antes da região do pico de pressão, bem como o seu menor ângulo para obtenção da pressão máxima podem ser explicados por diferenças nas características de queima desses dois combustíveis, que serão discutidas mais adiante quando for abordado o estudo da fração de massa queimada de combustível. Tais características levaram à antecipação do aumento de pressão do Map_, e isso refletiu em maior trabalho útil ao motor, tanto que os resultados de pressão média efetiva foram superiores aos do, conforme Item A Figura 6.28 apresenta as curvas de pressão com otimizações para o etanol hidratado e etanol anidro, ambas utilizando etanol anidro, para o ponto de operação de torque máximo. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.28 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de torque máximo com otimizações para o etanol hidratado e o etanol anidro, utilizando etanol anidro. Nota-se comportamento muito semelhante das curvas de pressão, inclusive na região de pressões máximas. Porém, entre o ângulo do eixo de manivelas -10 até a região de pico das pressões, os valores para o são ligeiramente superiores.

32 95 Como os ângulos de avanço foram muito próximos (21,8 APMS para o Map_ e 21,1 APMS para o ), o efeito de deslocamento para a direita da curva do foi ainda mais discreto do que o observado para o ponto de potência máxima. Como consequencia, tais resultados não refletiram em maiores pressões médias efetivas para o Map_, conforme mostrado no Item A Figura 6.29 apresenta as curvas de pressão com otimizações para o etanol anidro e para o etanol hidratado, utilizando esses respectivos combustíveis no ponto de operação de torque máximo. Pressão no Cilindro (MPa) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Figura 6.29 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de torque máximo com otimizações para o etanol anidro e o etanol hidratado. Observa-se que o uso do etanol anidro associado à sua calibração ótima resultou em uma pressão máxima maior do que a verificada para o etanol hidratado quando também otimizado. Pode-se notar ainda que o ângulo do eixo de manivelas no qual ocorre a pressão máxima é ligeiramente menor para o etanol hidratado. Como os ângulos de avanço foram muito próximos (21,8 APMS para o e 21,1 APMS para o ), a antecipação do pico de pressão no caso do, pode ser explicada por características de queima dos dois combustíveis, que serão estudadas mais adiante quando for abordado o estudo da fração de massa queimada de combustível. O menor pico de pressão para o foi explicado quando apresentada a Figura 6.27.

33 96 O lambda ótimo nos dois casos foi o mesmo, com valor de 0,91. Isto é, a Figura 6.29 apresenta a combinação dos efeitos de otimização e de troca de combustível, apresentados separadamente nas Figuras 6.27 e 6.28, de forma combinada. Esses resultados explicam a maior pressão média efetiva encontrada para o frente ao no Item 6.2.7, independente da otimização adotada para aquele combustível, já que o aumento da diferença de pressões entre as duas configurações ocorreu significativamente após o PMS, contribuindo como trabalho útil ao motor RPM DE CRUZEIRO A Figura 6.30 apresenta as curvas de pressão com otimização para o etanol hidratado, utilizando este combustível e o etanol hidratado para o ponto de operação de RPM de cruzeiro. Pressão no Cilindro (MPa) 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.30 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de RPM de cruzeiro com otimização para o etanol hidratado, utilizando este combustível e o etanol anidro. Verifica-se que a partir de aproximadamente -10 até cerca de 40 a curva de pressão do etanol anidro apresenta valores maiores do que a do etanol hidratado. Como o motor funcionou com as mesmas configurações de avanço de ignição e lambda (28 APMS e 1,00) em ambos os casos, as diferenças nas curvas de pressão podem ser atribuídas principalmente ao combustível.

34 97 Dessa forma, as maiores pressões obtidas com a utilização do etanol anidro se explicam devido ao menor conteúdo de água desse combustível em relação ao etanol hidratado, conforme já explicado no Item O fato dos valores de pressão serem maiores para o Map_ antes da região do pico de pressão pode ser explicado por diferenças nas características de queima desses dois combustíveis, que serão discutidas mais adiante quando for abordado o estudo da fração de massa queimada de combustível. Tais características levaram à antecipação do aumento de pressão do Map_, o qual não resultou em maior trabalho útil ao motor, conforme esperado, dados os resultados de pressão média efetiva semelhantes ao, conforme Item Isso pode ser explicado pela forma como o calor liberado na combustão foi aproveitado pelo motor, o que será apresentado no Item A Figura 6.31 apresenta as curvas de pressão com otimizações para o etanol hidratado e etanol anidro, ambas utilizando etanol anidro, para o ponto de operação de RPM de cruzeiro. Pressão no Cilindro (MPa) 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.31 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de RPM de cruzeiro com otimizações para o etanol hidratado e o etanol anidro, utilizando etanol anidro. Nesse caso, entre -10 e cerca de 20, os valores da pressão no cilindro são maiores utilizando a configuração Map_. Porém, a curva relativa ao etanol anidro encontra-se deslocada para a direita em comparação àquela deste mesmo

35 98 combustível com otimização do etanol hidratado nessa mesma região. Isso ocorre devido à diferença entre os ângulos de avanço de ignição adotados para cada configuração, 28 APMS para o Map_ e 24 APMS para o, fazendo com que haja uma antecipação no aumento da pressão relativa àquela primeira configuração. O fato do Map_ ter alcançado valores máximos de pressão acima daqueles obtidos para o pode ser explicado pela liberação de centelha antecipada em 4. Nesse caso, a diferença dos ângulos de avanço nas duas configurações foi mais significativa do que nos pontos de potência máxima (1,3 ) e torque máximo (0,7 ), sendo que para os mesmos ângulos do eixo de manivela (e portanto mesmos volumes), a combustão já encontrava-se mais avançada para o Map_. Como consequência disso, maior quantidade de calor havia sido liberada, resultando em maiores pressões no cilindro. Porém, esses resultados não refletiram em maiores pressões médias efetivas para o Map_, conforme mostrado no Item Isso pode ser explicado pela forma como o calor liberado na combustão foi aproveitado pelo motor, o que será apresentado no Item A Figura 6.32 apresenta as curvas de pressão com otimizações para o etanol anidro e para o etanol hidratado, utilizando esses respectivos combustíveis no ponto de operação de RPM de cruzeiro. Pressão no Cilindro (MPa) 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Figura 6.32 Curvas de pressão em função do ângulo do eixo de manivelas no ponto de RPM de cruzeiro com otimizações para o etanol anidro e o etanol hidratado.

36 99 As diferenças entre combustíveis e também entre as configurações de teste se anularam nesse caso. A antecipação da centelha para o minimizou a sua característica de maior atraso de ignição, bem como a sua combustão em estágio mais avançado em relação ao resultou em pico de pressão próximo a esse último (ver Item 6.3.4), levando a curvas de pressão de aspectos semelhantes para as duas configurações de teste. Isso se confirma pelos resultados obtidos para a pressão média efetiva, no Item 6.2.7, os quais apontam os mesmos valores para o e o TEMPERATURA NO CILINDRO A Figura 6.33 apresenta as curvas de temperatura relativas ao etanol hidratado nos três pontos operacionais estudados no presente de trabalho. Os resultados para as demais configurações de testes apresentaram as mesmas tendências. Temperatura (K) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Potência Máxima Torque Máximo RPM Cruzeiro Figura 6.33 Curvas de temperatura em função do ângulo do eixo de manivelas no cilindro para o etanol hidratado nos três pontos operacionais estudados. Verifica-se que em potência máxima, devido aos maiores ângulos de avanço de ignição, os valores de temperatura iniciaram o aumento repentino devido ao início da combustão, antes dos demais pontos de operação. Os picos de temperatura apresentaram diferenças de até cerca de 200K. Apesar das menores pressões

37 100 observadas no Item anterior, consequentes da sua menor carga, o ponto de RPM de cruzeiro apresentou temperaturas relativamente próximas dos demais, pois neste ponto foi utilizado lambda igual a um, enquanto em potência máxima e em torque máximo foram utilizados 0,89 e 0,91. Lambdas mais ricos (menores que um) fazem referência a misturas com excesso de combustível, que tem ação refrigerante na câmara de combustão devido à maior massa de combustível a ser vaporizada, reduzindo as temperaturas do processo. O fato das temperaturas máximas terem sido próximas explica as emissões de NOx também muito parecidas para o nos três pontos de operação, de acordo com os resultados apresentados no Item , já que a formação de NOx está fortemente ligada e cresce com o aumento da temperatura no cilindro (HEYWOOD, 1988) POTÊNCIA MÁXIMA A Figura 6.34 apresenta as curvas de temperatura, calculadas conforme exposto no Capítulo 3, nas três configurações de teste propostas para o ponto de operação de potência máxima. Temperatura (K) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.34 Curvas de temperatura em função do ângulo do eixo de manivelas nas três configurações de teste para o ponto de potência máxima.

38 101 As curvas de temperatura do etanol anidro, independentemente da otimização adotada para este combustível, apresentaram valores mais altos do que a curva do durante a combustão. Isso pode ser explicado pelo maior conteúdo de água do e suas consequências já mencionadas no Item Menores temperaturas durante combustão levam à menor formação de NOx (HEYWOOD, 1988), confirmada pelos resultados obtidos no Item , onde o, independentemente de sua configuração de teste, apresentou valores ligeiramente maiores do que o. Entre as configurações que utilizaram etanol anidro, observa-se que aquela cuja centelha foi mais antecipada ( Map_) apresentou temperaturas mais elevadas durante a maior parte do processo de combustão. Isso explica as emissões de NOx ligeiramente maiores nessa configuração de teste e coaduna com a relação proposta por HEYWOOD (1988), de maior formação de NOx para configurações com centelhas mais antecipadas, conforme Figura 6.34a. Figura 6.34a Formação de óxido de nitrogênio em função do ângulo de avanço da ignição. Nota-se que além da redução das emissões de NO com a diminuição do ângulo de avanço da ignição, também ocorrem quedas mais abruptas nesses valores conforme se reduz a relação ar-combustível. Para os casos em análise, as relações ar-combustível reais foram 7,745:1 para o etanol hidratado e 7,937:1 para o etanol anidro.

39 102 Comparando-se as duas configurações otimizadas para cada combustível ( x ), é possível verificar que se adequando a calibração do motor para funcionar com etanol anidro é possível reduzir a tendência de aumento das emissões de NOx, observadas quando simplesmente troca-se o combustível TORQUE MÁXIMO A Figura 6.35 apresenta as curvas de temperatura, calculadas conforme exposto no Capítulo 3, nas três configurações de teste propostas para o ponto de operação de torque máximo. Temperatura (K) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map_ Figura 6.35 Curvas de temperatura em função do ângulo do eixo de manivelas nas três configurações de teste para o ponto de torque máximo. As temperaturas máximas calculadas para o ponto de torque máximo mantiveram a tendência observada no ponto de potência máxima, com o resultando em temperaturas inferiores ao, independentemente da configuração de teste deste último. No entanto, as temperaturas mais baixas não representaram redução nas emissões de NOx, sendo encontrados resultados semelhantes para os três casos, conforme Item Esses resultados podem ser explicados devido à grande incerteza relacionada às emissões de NOx no ponto de torque máximo (HEYWOOD,1988).

40 RPM DE CRUZEIRO A Figura 6.36 apresenta as curvas de temperatura, calculadas conforme exposto no Capítulo 3, nas três configurações de teste propostas para o ponto de operação de torque máximo. Temperatura (K) Ângulo do Eixo de Manivelas ( ) Map Figura 6.36 Curvas de temperatura em função do ângulo do eixo de manivelas nas três configurações de teste para o ponto de RPM de cruzeiro. As temperaturas máximas calculadas para o ponto de RPM de cruzeiro também mantiveram a tendência observada nos pontos de potência máxima e de torque máximo, com o resultando em temperaturas inferiores ao, independentemente da configuração de teste deste último. Comparando-se os resultados das configurações cuja diferença é basicamente o combustível ( ), observa-se que as temperaturas são maiores para o Map_ durante a combustão, levando à maiores emissões de NOx, conforme verificado no Item Quando a comparação é feita entre as configurações cuja diferença é o avanço de ignição ( ), também o Map_ apresenta as maiores temperaturas. Logo, foi observada maior formação de NOx para esse caso, confirmando novamente a relação entre avanço de ignição e emissões de NOx apresentada por HEYWOOD (1988).